钛(tai)比(bi)一(yi)般(ban)金(jin)属轻(qing)，具(ju)有(you)强度(du)高、韧性(xing)强(qiang)、耐酸(suan)碱(jian)性(xing)、抗腐蚀性(xing)、稳定性(xing)高等(deng)优点，是(shi)现代宇(yu)宙(zhou)航(hang)空科学、海(hai)洋(yang)科(ke)学和核能发电(dian)等尖端科(ke)学工业所(suo)不可(ke)缺(que)少的(de)材料。轧(ya)环(huan)机(ji)具(ju)有(you)成型(xing)过程(cheng)短、几何(he)精度高、内部(bu)组(zu)织(zhi)均(jun)匀(yun)、金属(shu)流(liu)线(xian)分(fen)布(bu)完(wan)整等(deng)优点。环轧是生(sheng)产大型(xing)薄壁件的(de)首(shou)选(xuan)加(jia)工方(fang)法(fa)。
本文中(zhong)大型(xing)薄(bao)壁(bi)钛(tai)环(huan)的成型方法主要采(cai)用(yong)锻造(zao)制坯(pi)和(he)轧(ya)环机轧(ya)制(zhi)配(pei)合的(de)方法生产。锻(duan)造及轧制工艺(yi)参数(shu)对(dui)钛的(de)组织和(he)性(xing)能(neng)有明显(xian)的影响。
1、锻(duan)件规(gui)格
钛环(huan)锻件尺(chi)寸(cun)见(jian)图1。
2、制(zhi)造(zao)难(nan)点(dian)
该钛锻件的锻(duan)造(zao)生(sheng)产(chan)流程(cheng)为：下料(liao)->镦粗(cu)、冲孔->扩(kuo)孔(kong)、平整(zheng)高(gao)度(du)->粗车(che)->轧环(huan)出成品->锻后热处(chu)理。在生产中(zhong)的主要(yao)难(nan)点(dian)如(ru)下(xia)：
(1)在(zai)锻(duan)造(zao)时(shi)表(biao)面(mian)易(yi)产生裂(lie)纹。钛的导热性能差(cha)，高(gao)温下易(yi)恶化(hua)其(qi)变(bian)形性(xing)能，钛在(zai)高温(wen)下(xia)与氧(yang)亲(qin)和力(li)极强(qiang)，氧通过(guo)不(bu)断(duan)向(xiang)钛(tai)基(ji)体扩(kuo)散(san)在(zai)基(ji)体内部形成一(yi)硬(ying)脆层，易在锻(duan)造时(shi)产(chan)生(sheng)裂纹(wen)。
(2)成(cheng)型(xing)需(xu)要多(duo)火(huo)次(ci)加热(re)，晶(jing)粒易粗大(da)。由(you)钛锭(ding)开坯(pi)到(dao)轧(ya)制出(chu)成(cheng)品，需(xu)要多次的变(bian)形，难以(yi)控制锻件晶粒度及性(xing)能要(yao)求。
(3)大(da)型薄壁钛环易产生(sheng)轧制(zhi)缺(que)陷(xian)。该锻件壁(bi)厚较(jiao)薄，高(gao)度(du)较(jiao)大(da)，已(yi)达到我公司(si)轧环(huan)机(ji)轧(ya)制(zhi)极(ji)限(xian)，易(yi)造(zao)成(cheng)轧(ya)环(huan)件尺寸(cun)的(de)不稳(wen)定性。
3、制(zhi)坯(pi)工(gong)艺参(can)数确定(ding)及分(fen)析(xi)
(1)制(zhi)坯加(jia)热(re)工(gong)艺
由于钛加(jia)热时容易吸收(shou)氧(yang)、氢(qing)和氮(dan)，使(shi)其塑(su)性降低(di)、性能(neng)变坏(huai)，所以，在(zai)加热(re)前将钛圆(yuan)坯(pi)表(biao)层(ceng)涂加(jia)防氧化(hua)涂(tu)料(liao)。钛(tai)的(de)导(dao)热性(xing)差，需进(jin)行(xing)分段(duan)加热(re)，从(cong)室(shi)温(wen)以(yi)40℃/h缓(huan)慢升至750℃并根据导热系(xi)数(shu)计算(suan)保(bao)温(wen)时间(jian)。为防(fang)止在高温(wen)下(xia)钛(tai)相变(bian)的脆(cui)性(xing)转(zhuan)变需快速(su)升(sheng)温，加热(re)以(yi)70℃/h速(su)度进(jin)行(xing)升(sheng)温至变形(xing)温(wen)度(du)。工(gong)业纯(chun)钛(tai)的相转(zhuan)变(bian)温度为900~995℃，在β相区变形(xing)应(ying)变(bian)速(su)率高(gao)时，发生(sheng)不(bu)连续(xu)屈(qu)服，应(ying)变(bian)速(su)率(lv)低(di)时会(hui)产生(sheng)大晶(jing)粒(li)超塑(su)性变(bian)形现(xian)象，在α+β相区(qu)变(bian)形会(hui)使(shi)得两(liang)相晶粒相(xiang)互(hu)制约(yue)，利(li)于锻(duan)件(jian)成形。变(bian)形(xing)温(wen)度低(di)于(yu)850℃时(shi)容(rong)易产(chan)生(sheng)裂纹，故(gu)选择(ze)在(zai)两相区(qu)进(jin)行加(jia)热(re)，加热温(wen)度控制(zhi)在(zai)995℃以(yi)下，选择(ze)温(wen)度为980℃，终(zhong)锻温(wen)度控制在(zai)850℃以上。
(2)水压机制坯(pi)
制坯前(qian)要(yao)对所(suo)有冶金辅具进行预(yu)热，以防坯(pi)料(liao)降温太快(kuai)影(ying)响制坯效果。水压机制(zhi)坯(pi)时坯(pi)料尺(chi)寸的确定主(zhu)要(yao)依(yi)据(ju)后(hou)期的轧制(zhi)成形的可行(xing)性(xing)。根(gen)据(ju)德国(guo)THYSSEN-WAGNER公(gong)司的轧制(zhi)公(gong)式(shi)、体(ti)积不变原理(li)以(yi)及长(zhang)期(qi)积(ji)累(lei)的设计经验来(lai)设(she)计(ji)钛环(huan)的(de)最佳(jia)环(huan)坯几何尺(chi)寸。其中(zhong)WAGNER轧(ya)制公(gong)式为(wei)：
△h=f(△s，h，s，c) (1)
式(shi)中(zhong)，h为(wei)环高(gao)；s为环(huan)壁(bi)厚(hou)；△h为(wei)高(gao)度(du)压(ya)下量；△s为(wei)壁(bi)厚压(ya)下量；c为(wei)修(xiu)正(zheng)系(xi)数(shu)。
在(zai)制坯时为(wei)充分打(da)碎(sui)铸态(tai)组(zu)织(zhi)，需(xu)对(dui)钛(tai)圆坯(pi)料(liao)进行充(chong)分变形，纯钛(tai)在(zai)高温下的(de)软(ruan)化(hua)性(xing)较(jiao)强，为(wei)防止(zhi)冲(chong)孔(kong)过(guo)程中(zhong)内孔出现折(zhe)叠(die)，钛环制坯时(shi)采(cai)用镦低拔高的方(fang)法(fa)进行成形。镦粗(cu)冲孔250mm，预扩内(nei)孔(kong)至φ450mm、外圆(yuan)φ945mm，将坯(pi)料(liao)精扩内圆至φ800mm、平(ping)整(zheng)高(gao)度730mm。制(zhi)坯完(wan)成(cheng)后冷(leng)却至(zhi)室(shi)温。
4、轧制(zhi)工艺(yi)参数(shu)确定及分(fen)析(xi)
工业纯钛(tai)属于(yu)难(nan)锻(duan)材(cai)料，在(zai)锻(duan)造(zao)过程中极(ji)易产生(sheng)裂纹(wen)，并(bing)且氧化(hua)性(xing)强(qiang)，一(yi)旦产(chan)生裂纹(wen)只(zhi)能冷(leng)却(que)至(zhi)室温(wen)后磨削去(qu)除裂纹。为(wei)了(le)钛环(huan)成品(pin)几何尺(chi)寸(cun)及(ji)表面质(zhi)量一次符(fu)合要(yao)求，对环(huan)坯(pi)进行粗加(jia)工(gong)，清理(li)表面(mian)缺陷(xian)，特(te)殊(shu)情(qing)况下(xia)进行(xing)倒角(jiao)和切(qie)坡(po)口(kou)。
(1)轧制加(jia)热参数
将粗车(che)完成(cheng)后的(de)钛环坯料表层(ceng)涂加防(fang)氧(yang)化涂(tu)料(liao)并(bing)进行加(jia)热。轧(ya)制过程(cheng)是(shi)一(yi)个(ge)连(lian)续(xu)的(de)线(xian)接(jie)触过程，成形(xing)速度(du)快(kuai)，变形(xing)能(neng)会使(shi)得钛环锻件(jian)温度(du)升(sheng)高(gao)。钛环的导热性(xing)差，温度升(sheng)高(gao)超(chao)过(guo)相(xiang)变(bian)区域(yu)，结(jie)合(he)纯钛的(de)相变温(wen)度(du)以(yi)及(ji)在(zai)轧(ya)制(zhi)时环件(jian)温(wen)度较高(gao)会(hui)发生(sheng)动态再结(jie)晶(jing)行为，因此为了确(que)保钛(tai)不在β相区(qu)进行(xing)轧制，应使加热温度低(di)于相变(bian)温(wen)度，加(jia)热(re)均热(re)段(duan)温度(du)设定为880~900℃，锻(duan)造温度(du)控制在850~900℃。
(2)轧(ya)制成形
轧(ya)制过(guo)程(cheng)中速(su)度较大(da)，可以(yi)细化晶粒，但(dan)也(ye)会产(chan)生(sheng)大(da)量的变(bian)形(xing)热(re)，使得坯料(liao)温(wen)度升高(gao)，增加动态(tai)再结晶(jing)行(xing)为(wei)的(de)可能性。环(huan)件温(wen)度(du)过(guo)高，容易粗(cu)晶(jing)，过(guo)低(di)则(ze)容(rong)易产生(sheng)裂(lie)纹。因(yin)此(ci)，需(xu)要合(he)理(li)制定(ding)轧制工艺(yi)参数。轧制(zhi)工艺参(can)数(shu)制(zhi)定(ding)的重(zhong)点是轧(ya)制曲(qu)线(xian)的设计。该(gai)环件属典型(xing)的簿(bu)壁(bi)筒形环，选(xuan)用(yong)筒形(xing)环轧制(zhi)曲(qu)线，如图(tu)2所示(shi)。
初(chu)轧(ya)阶(jie)段进(jin)给(gei)较(jiao)慢，主要(yao)消除(chu)环坯椭(tuo)圆(yuan)和壁(bi)厚(hou)差，轧制力(li)和(he)长(zhang)大速度(du)缓慢(man)上(shang)升。主轧阶段(duan)实现快(kuai)速稳定(ding)轧制(zhi)，轧制(zhi)速度定为(5~7)mm/s及定(ding)心力(li)10％~15％，随着(zhe)环(huan)刚性(xing)的(de)下(xia)降轧(ya)制(zhi)力(li)相应下(xia)降(jiang)。减速成圆阶(jie)段(duan)定心力最终(zhong)减(jian)小(xiao)至5％以下(xia)，以保证消(xiao)除椭圆(yuan)、波(bo)浪等缺(que)陷。轧(ya)制进(jin)给曲(qu)线如(ru)图(tu)3所示。
轧(ya)制(zhi)成(cheng)品(pin)表(biao)面(mian)均匀(yun)光(guang)滑，无(wu)肉(rou)眼可见(jian)缺陷(xian)，圆度较(jiao)好(hao)。轧制完(wan)成后(hou)锻件(jian)收缩(suo)在(zai)预(yu)定的(de)1.007之内，显示(shi)椭(tuo)圆5mm，满(man)足(zu)要(yao)求(qiu)。
5、钛(tai)环(huan)的锻(duan)后热(re)处(chu)理
轧制完成(cheng)后需对环锻件(jian)进(jin)行消(xiao)除(chu)应(ying)力退火处(chu)理。退(tui)火(huo)工(gong)艺如(ru)图(tu)4所(suo)示(shi)。
经过热处(chu)理(li)后的钛(tai)环锻件(jian)，经(jing)本(ben)体取样(yang)，晶粒度(du)符合(he)要求。
6、结论
(1)通过(guo)水(shui)压机(ji)制坯(pi)-轧环机成型(xing)工序成(cheng)功生产了外(wai)径(jing)2297mm、壁(bi)厚68mm的大(da)型(xing)薄(bao)壁钛(tai)环(huan)。
(2)通(tong)过对工业(ye)纯钛(tai)TA1的(de)相变和(he)锻(duan)造(zao)过(guo)程进行分(fen)析(xi)，制(zhi)定了合(he)适(shi)的(de)加(jia)热温度(du)、锻(duan)造温(wen)度以(yi)及锻(duan)后(hou)热(re)处理工(gong)艺(yi)，从而有(you)效控(kong)制(zhi)了成(cheng)型(xing)后(hou)晶(jing)粒(li)度，其中(zhong)制(zhi)坯(pi)锻(duan)造温度(du)控(kong)制在850～980℃，轧(ya)环(huan)锻造温度(du)控(kong)制(zhi)在850～900℃。
(3)根据(ju)薄壁(bi)环(huan)件易产(chan)生椭(tuo)圆(yuan)、波浪等特性，初(chu)轧速(su)度较慢(man)、主(zhu)轧快速稳定的(de)轧(ya)制进给(gei)曲(qu)线设计(ji)是(shi)锻(duan)件(jian)合(he)格的(de)关键(jian)。同(tong)时(shi)锻件制坯尺(chi)寸(cun)的确(que)定(ding)也至关(guan)重要，该(gai)锻(duan)件制(zhi)坯参数的(de)选(xuan)择符合(he)轧环机轧制(zhi)要求。
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相(xiang)关(guan)链(lian)接
